利用側推分析建立風力發電機塔柱易損性曲線

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黃劭雋(Shao-Chun Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

利用側推分析建立風力發電機塔柱易損性曲線

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摘要(中)

本研究以巨災風險之角度建立風力發電機之易損性曲線，其研究目的為評估風機受災後發生損害之風險，易損性曲線能夠快速評估結構物受損害之程度及其發生機率，本論文主要研究對象為風機塔柱之損壞過程。以兩全尺寸風機案例進行分析及比較，風機之高度分別為53 m及78 m，研究方法採用非線性靜力側推分析，以第一模態及質量之乘積比模擬地震在各質點的豎向分佈力，分析採用商用軟體SAP2000及ABAQUS，由於本研究主要探討塔柱之受損過程，因此採用簡化模型進行分析，將上部結構簡化為靜載重進行模擬。
側推分析結果顯示兩風機挫曲位置非常不同，53 m之風機挫曲位置已超過塔柱一半之位置；78m之風機挫曲位置位於柱底約15至20 m之位置。由此兩案例分別建立易損性性曲線，以對數常態分佈的累積分佈函數進行超越機率的計算，強度量測採用ADRS格式中之譜加速度。損害等級參考Asareh論文中定義之損害等級，經調整過後定義為三個損害等級，分別為(1)柱頂位移達柱高之1.25% (2)塔柱桿件達降伏應力 (3)風機塔柱出現挫曲現象。兩組易損性分析之參數採用側推分析之結果作為結構反應之平均，由於分析之樣本不足，因此採用之對數標準差為Nuta【20】及Asareh【23】論文中非線性動力分析結果之統計。分析結果顯示，78 m高之風機在相同之譜加速度下，各個損害等級之發生機率都較高，尤其為第一損害等級之差距最為明顯。
由兩案例分析結果可發現，結構之容量及損壞過程不盡相同，因此在建立易損性曲線時，建議以相同類型及尺寸作為分析樣本才能增加分析之準確性，此研究成果未來可用於訂定風機地震保險費率。

摘要(英)

ABSTRACT
The fragility curves of wind turbine are established according to the concept of catastrophic risk. The purpose of the study is to assess the risk of wind turbine due to disasters. Fragility curve can quickly assess the damage degree of structures and its probability of occurrence. The main object of this thesis is the damage process of wind turbine tower. Two full-size wind turbines were analyzed and compared. The height of the wind turbines are 53m and 78m. They were analyzed by nonlinear pushover analysis. The pushover loads simulate the earthquake loads, and they were calculated according to the first mode. The commercial software SAP2000 and ABAQUS were used in this research. As this research mainly discusses the damage process of the wind turbine tower, the analysis adopts a simplified model for analysis. The superstructure is simplified as static load for analysis.
The results show that these two wind turbines buckle at different location. The 53m wind turbine tower buckles at the height over half of the tower. The 78m wind turbine tower buckles at 15 to 20m over the foundation. The cumulative distribution function of a lognormal distribution is used to evaluate the probability of exceedance of these two cases. Spectral acceleration is used for intensity measure. Refer to the damage states which defined in Asareh’s dissertation, three damage states are defined in this research. The first damage state is the horizontal displacement exceeds 1.25% height of the tower. The second damage is the stress in any point of the tower exceeds the yield stress of the material. The last damage state is the complete loss of the tower, or when buckling has occurred. The pushover curves of the nonlinear pushover analysis were taken as the mean parameter of the fragility analysis. Due to lack of samples, the standard deviation of the fragility equation was refered from Asareh and Nuta’s dissertation. The analysis results show that under the same spectral acceleration, the 78 m high wind turbines have higher probability of occurrence of each damage state, especially the first damage state. From the analysis of the two cases, it can be found that the capacity and damage process of the structure are not similar. Therefore, when establishing the fragility curve, it is recommended to use the same type and size as the analysis sample to increase the accuracy of the analysis. The results of this research can be used to price the earthquake insurance premium of wind turbine in the future.

關鍵字(中)

★ 風力發電機
★ 易損性曲線
★ 非線性靜力側推分析
★ 損害等級

關鍵字(英)

★ Wind turbine
★ Fragility curve
★ Nonlinear static pushover analysis
★ Damage state

論文目次

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 6
1.3 論文內容 7
第二章文獻回顧 8
2.1風力發電機承受負載 8
2.2圓形空心斷面彎曲行為 10
2.3風力發電機研究回顧 13
2.4風機之易損性分析 17
第三章巨災風險評估模型與易損性曲線 21
3.1巨災風險評估模型 21
3.1.1地震事件推估模組 22
3.1.2危害度分析模組 25
3.1.3 損害分析模組 26
3.1.4 財務分析模組 27
3.2易損性曲線理論 29
3.2.1經驗模式評估法 30
3.2.2 非線性靜力分析法 30
3.2.3 非線性動力分析法 38
第四章風機案例分析及易損性曲線建立 42
4.1 風機資訊及建模假設 42
4.2 風機模態分析 45
4.3 ABAQUS建模及側推分析 49
4.3.1有限元素軟體ABAQUS 49
4.3.2 風機建模及側推分析流程 50
4.3.3 側推分析結果 52
4.4 易損性曲線建立 61
4.4.1 損害等級定義 62
4.4.2 易損性曲線 69
4.4.3風機成本細目及損害比定義 75
第五章結論與建議 81
5.1結論 81
5.2 建議 82
參考文獻 83

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圖目錄
圖 1- 1世界風力發電潛能 3
圖 1- 2北美陸上風機發展趨勢 3
圖 1- 3北美離岸風機發展趨勢 4
圖 1- 4德國Goldenstedt因強風而倒塌的風力發電機和日本鹿島市因地震而傾斜之風力發電機 4
圖 1- 5風機近十年風機事故 5
圖 1- 6台灣本島與離岸風能密度分布 5
圖 2- 1風力發電機組成 9
圖 2- 2風機承受之負載 9
圖 2- 3風機負載分類 10
圖 2- 4圓形空心斷面抗彎強度於各規範之比較 12
圖 2- 5塔柱質量分布 15
圖 2- 6風力發電機的風洞實驗 16
圖 2- 7土壤和基礎之模擬 16
圖 2- 8加拿大西部區域之風機易損性曲線 18
圖 2- 9 Asareh【28】5MW之風機第五損害等級 19
圖 2- 10 Asareh【28】5MW之風機第二損害等級 19
圖 2- 11 Asareh【28】5MW之風機第四損害等級 20
圖 3- 1巨災風險評估模型之模組架構圖 22
圖 3- 2臺灣地區1991至2008年之地震震央分布圖 24
圖 3- 3隱沒帶構造示意圖 24
圖 3- 4危害度分析模組示意圖 26
圖 3- 5地震損失超越或然率曲線 28
圖 3- 6 ADRS格式 36
圖 3- 7阻尼對反應譜折減 37
圖 3- 8 ED的能量消散 37
圖 3- 9反應譜繪製流程 40
圖 3-10 Hazus-MH MR5 定義的結構物易損性曲線 40
圖 3- 11損害程度機率分佈圖 41
圖 4- 1 53m風力發電機塔柱圖 43
圖 4- 2 ASTM A572 Gr. 42應力-應變圖 43
圖 4- 3 78m風機塔柱尺寸詳圖 44
圖 4- 4 SAP2000材料參數定義 46
圖 4- 5 SAP2000桿件斷面設定 46
圖 4- 6 ABAQUS建模流程圖 51
圖 4- 7本研究與LanhuiGuo【16】容量曲線比較 54
圖 4- 8 ABAQUS 53.6m風機挫曲位置 54
圖 4- 9 53m風機ABAQUS側推分析 55
圖 4- 10 53m風機達降伏之應力分布狀況 55
圖 4- 11 53m風機最大降伏面積 56
圖 4- 12 53m風機挫曲部份之應力分布狀況 56
圖 4- 13 78m風機側推容量曲線 57
圖 4- 14 78m風機達降伏之應力分布狀況 57
圖 4- 15 78m風機最大降伏面積 58
圖 4- 16 78m風機挫曲部份之應力分布狀況 58
圖 4- 17 53m風機質量偏心之側推分析比較 59
圖 4- 18 78m風機質量偏心之側推分析比較 59
圖 4- 19 53m風機ADRS格式 60
圖 4- 20 78m風機ADRS格式 60
圖 4- 21 Etabs塑鉸的力與位移關係曲線 64
圖 4- 22 53m風機損害等級於容量曲線分佈(修正前) 64
圖 4- 23 78m風機損害等級於容量曲線分佈(修正前) 65
圖 4- 24案例二風機柱頂旋轉3度簡圖 65
圖 4- 25 53m風機損害等級於容量曲線分佈(修正後) 66
圖 4- 26 78m風機損害等級於容量曲線分佈(修正後) 66
圖 4- 27 53m風機損害等級於ADRS 67
圖 4- 28 78m風機損害等級於ADRS 67
圖 4- 29場址及地震歷時設計地震反應譜 70
圖 4- 30損害量測：最大位移、最大旋轉角及殘餘位移 71
圖 4- 31 53m風機易損性曲線(對數標準差為0.285) 72
圖 4- 32 53m風機易損性曲線(對數標準差為0.4) 72
圖 4- 33 78m風機易損性曲線(對數標準差為0.285) 73
圖 4- 34 78m風機易損性曲線(對數標準差為0.4) 73
圖 4- 35風機成本細目 77
圖 4- 36風機各零件之成本細目 78
圖 4- 37風機各零件之成本細目(經正規化) 79

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表目錄
表 1- 1 IEC61400-1風機參數定義 6
表 2- 1圓形空心鋼斷面之彎曲試驗研究 12
表 3- 1 1990年至2008年嘉南地區地震規模大小參考表 25
表 3- 2地震事件損失參考表 29
表 3- 3 Hazus-MH MR5 建議的修復成本 41
表 4- 1 53m風機斷面尺寸 45
表 4- 2兩案例模態分析結果 47
表 4- 3 53m風機質量分部及側推豎向分佈力 47
表 4- 4 78m風機質量分部及側推豎向分佈力 48
表 4- 5兩案例側推分析比較 61
表 4- 6 Asareh論文訂定之五項損害等級及說明 68
表 4- 7本論文訂定之四項損害等級及說明 68
表 4- 8 Nuta【25】論文之10組地震歷時詳細資訊 74
表 4- 9 Nuta【25】論文之易損性參數 74
表 4- 10典型陸上和離岸風機系統的成本分析比較 79
表 4- 11兩案例風機成本估算 80
表 4- 12兩案例風機損害比及各損害等級之損失 80

參考文獻

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指導教授

蔣偉寧許文科(Chiang, Wei-Ling)

審核日期

2018-8-21

推文